Orientador: Antonio José de Almeida Meirelles / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-19T17:38:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bessa_LarissaCastelloBrancoAlmeida_M.pdf: 3274287 bytes, checksum: 0f57997f7783168db1f2649fc09da7f0 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Apesar da sua alta demanda energética, a destilação é uma das técnicas de separação de misturas líquidas mais amplamente utilizada no mundo. Com o intuito de melhorar a eficiência térmica deste processo, possibilidades de integração térmica e alternativas para a redução do consumo energético de colunas de destilação constituem sempre um tópico de intensa investigação. Dentre as técnicas de integração térmica, podem-se citar as diferentes possibilidades de se empregar colunas de múltiplo efeito e o uso de bomba de calor. Desta forma, este trabalho visou estudar dois modelos propostos de integração térmica de colunas de destilação para produção de etanol, considerando uma grande quantidade de compostos minoritários a fim de representar as condições reais encontradas em destilarias industriais. As configurações propostas foram analisadas via simulação computacional utilizando-se o software comercial Aspen Plus, da Aspen Technology, Inc., e foram comparadas do ponto de vista de seu desempenho energético, recuperação de etanol e qualidade do produto. O processo foi otimizado utilizando-se planejamento experimental fatorial, associado à análise de superfícies de respostas. Como etapa preliminar deste trabalho, os resultados obtidos do simulador para as configurações atuais de colunas de destilação foram comparados com dados industriais, através da análise por cromatografia gasosa de amostras coletadas em plantas industriais em operação. Apesar de apresentar alguns desvios significativos, de modo geral o simulador comercial conseguiu reproduzir de forma satisfatória o processo de destilação alcoólica industrial. Os dois modelos de integração térmica estudados apresentaram bons resultados, com consumo específico de vapor de 0,995 e 1,431 kg vapor/L álcool hidratado (significando redução de 54 e 33 % no consumo) no processo em duplo efeito tradicional e adaptado, respectivamente. Apesar de apresentar menor redução de consumo energético, na integração em duplo efeito adaptado a diferença de temperatura entre o topo da coluna A e a base da coluna B1 é de 14,3 ºC, exigindo um trocador de calor com menores dimensões que no caso do duplo efeito tradicional, no qual esta diferença é de apenas 5 ºC. Ainda, o vácuo necessário na integração tradicional é maior que na configuração adaptada, o que exige colunas com maiores diâmetros. Por fim, observou-se que os componentes minoritários, em especial os álcoois superiores, exerceram uma grande influência no consumo de vapor do processo / Abstract: Despite its high energetic demand, distillation is one of the most widely used techniques for separating liquid mixtures in the world. In order to improve the energetic efficiency of this process, possibilities of thermal integration and alternatives for reducing the energy consumption of distillation columns are always a topic of intense investigation. Among the techniques of thermal integration, there are different possibilities of employing the multiple effect columns and the use of heat pump. Thus, this work aimed to study two proposed models for thermal integration of distillation columns to produce ethanol, considering a large amount of minor compounds in order to represent the actual conditions found in the industrial mills. Those proposed configurations were analyzed through computer simulation using the commercial software Aspen Plus, from Aspen Technology, Inc., and they were compared regarding their energetic performance, ethanol recovery and final product quality. The process was optimized using experimental factorial design and surface response analysis. As a preliminary step of this work, the results of the simulator for the current distillation columns configurations were compared with industrial data through analysis by gas chromatography of samples collected from mills in operation. Although it has presented some significant deviations, in general the simulator was able to reproduce satisfactorily the industrial process of alcoholic distillation. Both thermally integrated configurations showed good results, with a specific steam consumption of 0.995 and 1.433 kg steam/L hydrated alcohol (reduction in the consumption of 54 and 33 %) in the traditional and adapted double effect process, respectively. Despite the lower reduction in energy consumption, the process in double effect adapted has presented a temperature difference between the top of column A and the bottom of column B1 of 14.3 ºC, requiring a smaller heat exchanger than in the case of traditional double effect process, in which this difference is only 5 ºC. In addition, the necessary vacuum in the traditional double effect process is greater than in the adapted configuration, which requires columns with larger diameters. Finally, it was observed that minor compounds, in special the high alcohols, had a great influence in the steam consumption of the process / Mestrado / Engenharia de Alimentos / Mestre em Engenharia de Alimentos

Na busca por soluções que minimizem os impactos ambientais, causados especialmente por atividades da economia que dependem integralmente de alguma fonte de energia para funcionar, surgem novas alternativas de caráter renovável. No caso do setor de transportes, que se destaca na emissão de gases efeito estufa, o etanol hidratado proveniente da cana de açúcar tem se mostrado como uma opção à gasolina. Entretanto, para torná-lo competitivo no mercado, o etanol deve ser viável em termos econômicos e energéticos em todas as etapas da cadeia de suprimento. Na distribuição do etanol hidratado no mercado nacional, há uma importante restrição na regulamentação do setor, que determina que o etanol produzido nas usinas tenha passar por bases de distribuição antes de chegar aos centros de consumo, impedindo a entrega direta do mesmo. Assim, a presente pesquisa teve como objetivo investigar os ganhos econômicos e energéticos da distribuição direta do etanol hidratado no estado de São Paulo. Para isso foram criados dois cenários de avaliação, o primeiro, representando o sistema atual de distribuição e o segundo representando a entrega direta. Na avaliação dos cenários foi desenvolvido um modelo custo e outro de gasto energético. A partir dos cálculos realizados, obteve-se um custo de R$ 559,09 mi para o Cenário 1, e de R$ 295,62 mi para o Cenário 2, o que resultou em um ganho de R$ 263,46 mi a partir da entrega direta. Apesar do ganho, sabe-se que a viabilização da entrega direta depende da implementação de novas estruturas, o que implicaria em novos custos. Neste caso o ganho real estaria no custo de transportes, que representa cerca de R$ 137,33 mi. Com relação ao gasto energético, o Cenário 1 resultou em 1,69 bi de MJ, e o Cenário 2 em 1,22 bi de MJ, representando um ganho de 469,4 mi de MJ. Comparando este ganho com outros valores divulgados na literatura para a mesma etapa da cadeia, observa-se que há grande divergência entre os mesmos. Outro aspecto observado foi a pouca representatividade do gasto energético da etapa de distribuição, quando comparada com a etapa agrícola. / In the search for solutions that minimize environmental impacts, especially caused by economic activities that are completely dependent on any source of energy to operate, new alternatives of renewable character emerge. In the case of the transport sector, which stands in the greenhouse gases emissions, the hydrous ethanol from sugar cane has been shown to be an option to gasoline. However to make it competitive in the market, it should be feasible in economic and energetic terms in all steps of the supply chain. In the scenario of distribution of hydrous ethanol in the domestic market, there is an important legal restriction on the regulation of the sector, which states define that ethanol produced in plants must go through distribution bases before coming to consumption centers , preventing the direct delivery. The present study aimed to investigate the economic and energetic gains of direct distribution of hydrous ethanol in the state of São Paulo. For this evaluation two scenarios were created, them first, representing the current distribution system, and the second, representing the direct delivery. To evaluate both scenarios, a cost and an energy consumption models were developed. From the calculations performed, it was obtained a cost of R$ 559,09 million to Scenario 1, and R$ 295,62 million to Scenario 2, which resulted in a gain of R$ 263,46 million from direct delivery. Despite the gain, it is known that the feasibility of direct delivery depends on the implementation of new structures which would imply on new costs. In this case the real gain would be at the cost of transport, which accounts for approximately R$ 137,33 million. With respect to energy consumption, the Scenario 1 resulted in 1,69 billion of MJ, and Scenario 2 in 1,22 billion of MJ, which represents a gain of 469.4 million of MJ . Comparing this gain with other values reported in the literature for the same step of the supply chain, it is observed that there is a great difference between them. Another significant aspect is the low representativeness of the energy consumption of the distribution step, when compared with the agricultural step.

Na busca por soluções que minimizem os impactos ambientais, causados especialmente por atividades da economia que dependem integralmente de alguma fonte de energia para funcionar, surgem novas alternativas de caráter renovável. No caso do setor de transportes, que se destaca na emissão de gases efeito estufa, o etanol hidratado proveniente da cana de açúcar tem se mostrado como uma opção à gasolina. Entretanto, para torná-lo competitivo no mercado, o etanol deve ser viável em termos econômicos e energéticos em todas as etapas da cadeia de suprimento. Na distribuição do etanol hidratado no mercado nacional, há uma importante restrição na regulamentação do setor, que determina que o etanol produzido nas usinas tenha passar por bases de distribuição antes de chegar aos centros de consumo, impedindo a entrega direta do mesmo. Assim, a presente pesquisa teve como objetivo investigar os ganhos econômicos e energéticos da distribuição direta do etanol hidratado no estado de São Paulo. Para isso foram criados dois cenários de avaliação, o primeiro, representando o sistema atual de distribuição e o segundo representando a entrega direta. Na avaliação dos cenários foi desenvolvido um modelo custo e outro de gasto energético. A partir dos cálculos realizados, obteve-se um custo de R$ 559,09 mi para o Cenário 1, e de R$ 295,62 mi para o Cenário 2, o que resultou em um ganho de R$ 263,46 mi a partir da entrega direta. Apesar do ganho, sabe-se que a viabilização da entrega direta depende da implementação de novas estruturas, o que implicaria em novos custos. Neste caso o ganho real estaria no custo de transportes, que representa cerca de R$ 137,33 mi. Com relação ao gasto energético, o Cenário 1 resultou em 1,69 bi de MJ, e o Cenário 2 em 1,22 bi de MJ, representando um ganho de 469,4 mi de MJ. Comparando este ganho com outros valores divulgados na literatura para a mesma etapa da cadeia, observa-se que há grande divergência entre os mesmos. Outro aspecto observado foi a pouca representatividade do gasto energético da etapa de distribuição, quando comparada com a etapa agrícola. / In the search for solutions that minimize environmental impacts, especially caused by economic activities that are completely dependent on any source of energy to operate, new alternatives of renewable character emerge. In the case of the transport sector, which stands in the greenhouse gases emissions, the hydrous ethanol from sugar cane has been shown to be an option to gasoline. However to make it competitive in the market, it should be feasible in economic and energetic terms in all steps of the supply chain. In the scenario of distribution of hydrous ethanol in the domestic market, there is an important legal restriction on the regulation of the sector, which states define that ethanol produced in plants must go through distribution bases before coming to consumption centers , preventing the direct delivery. The present study aimed to investigate the economic and energetic gains of direct distribution of hydrous ethanol in the state of São Paulo. For this evaluation two scenarios were created, them first, representing the current distribution system, and the second, representing the direct delivery. To evaluate both scenarios, a cost and an energy consumption models were developed. From the calculations performed, it was obtained a cost of R$ 559,09 million to Scenario 1, and R$ 295,62 million to Scenario 2, which resulted in a gain of R$ 263,46 million from direct delivery. Despite the gain, it is known that the feasibility of direct delivery depends on the implementation of new structures which would imply on new costs. In this case the real gain would be at the cost of transport, which accounts for approximately R$ 137,33 million. With respect to energy consumption, the Scenario 1 resulted in 1,69 billion of MJ, and Scenario 2 in 1,22 billion of MJ, which represents a gain of 469.4 million of MJ . Comparing this gain with other values reported in the literature for the same step of the supply chain, it is observed that there is a great difference between them. Another significant aspect is the low representativeness of the energy consumption of the distribution step, when compared with the agricultural step.

Made available in DSpace on 2017-07-10T15:14:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 _kenia_G_Santos.pdf: 1228191 bytes, checksum: c9c0f5b98cfa5d23ac78b799e2ea76c1 (MD5) Previous issue date: 2016-02-12 / Fundação Araucária / The stability of a fuel is critical to providing better engine performance. The biodiesel derived from babassu stands out in relation to this feature. Thus, we sought in this study comparing the effects of the mixture of hydrated ethanol and absolute ethanol with biodiesel in variable proportions of 10, 20 and 30% ethanol (absolute and hydrated) by volume performance in the motor generator diesel cycle direct injection and on some physical and chemical characteristics. Among these, they analyzed properties such as viscosity and density, which are characteristics that influence the spark. And beyond these, the calorific value of the mixtures was also determined. Subsequently, biodiesel blends/hydrous ethanol and biodiesel/anhydrous ethanol to concentrations of 10%, 20%, 30%, 100% biodiesel babassu oil and diesel fuel were tested in diesel cycle engine, which evaluated the consumption of fuels (mL), volumetric consumption, generated load and energy efficiency with variations of resistive loads of 1.5, 3 and 4.5 kW. The physicochemical properties of biodiesel contribute to the assessment of the established parameters for better quality biodiesel. And the viscosity and density analysis is influential on the combustion of mixtures in the engine. The high calorific value (PCS) for all treatments with the use of each, it follows that the PCS no influence on consumption. The variation of the resistive load caused a change in motor behavior and motor generator system as a whole. The highest efficiency obtained for mixtures was resulting in effective charge of 4.5 kW for mixtures of B80E20 (hydrated ethanol: 12% less efficient than biodiesel) and B80E20 (absolute ethanol: 10% less efficient than biodiesel). The application of ethanol with an additive to biodiesel helps reduce the use of fossil fuels. / A estabilidade de um combustível é fundamental para proporcionar melhor desempenho do motor. O biodiesel proveniente oriundo do babaçu destaca-se em relação a essa característica. Com isso, buscou-se neste trabalho avaliar comparativamente os efeitos da mistura do etanol hidratado e etanol absoluto com biodiesel em proporções variadas de 10, 20 e 30% de etanol (absoluto e hidratado), em volume, no desempenho no motor gerador ciclo diesel de injeção direta e sobre algumas características físico-químicas. Dentre estas, analisaram-se propriedades como a viscosidade e densidade que são características que influenciam na ignição. E além destas, o poder calorífico das misturas também foi determinado. Posteriormente, as misturas de biodiesel/etanol hidratado e biodiesel/etanol absoluto com concentrações de 10%, 20% e 30%, biodiesel 100% de babaçu e diesel foram testados no motor de ciclo Diesel, em que foram avaliados o consumo dos combustíveis (mL), consumo volumétrico, carga gerada e eficiência energética com variações de cargas resistivas de 1,5, 3 e 4,5 kW. As propriedades físico-químicas do biodiesel contribuem para a avaliação dos parâmetros estabelecidos para melhor qualidade do biodiesel. E as análises de viscosidade e densidade são influenciadoras na combustão das misturas no motor. O poder calorífico superior (PCS) para todos os tratamentos com o consumo de cada um, conclui-se que o PCS não influenciou no consumo. A variação da carga resistiva causou uma mudança no comportamento do motor e do sistema motor gerador como um todo. A maior eficiência obtida para as misturas foi resultante na carga efetiva de 4,5 kW para as misturas de B80EH20 (12% menos eficiente que o biodiesel) e B80EA20 (10% menos eficiente que o biodiesel). A aplicação do etanol com um aditivo ao biodiesel favorece a redução do uso de combustíveis fósseis

Uma maneira ecologicamente correta de manejar os recursos energéticos disponíveis e reduzir as emissões de gases de efeito estufa é utilizar biocombustíveis ao invés de combustíveis de origem fóssil em motores de combustão interna. Entretanto, o preço mais alto dos biocombustíveis pode ser um fator limitante para o aumento e viabilização do seu uso. Em relação ao etanol, para se obter misturas com mais de 80% de etanol em água o custo de produção cresce exponencialmente. Assim, se misturas de etanol com alto percentual de água, de menor custo, puderem ser utilizadas em motores de combustão interna com sucesso, esse combustível pode se tornar mais atrativo e mais amplamente utilizado. Este trabalho analisa o desempenho de um motor de ignição por centelha operando com etanol em diferentes percentuais de hidratação, através de simulações computacionais e procedimentos experimentais. Foi utilizado um motor monocilíndrico de 0,668L e naturalmente aspirado, com relação de compressão de 19:1 e injeção direta em pré-câmara, ciclo Diesel, foi modificado para operação em ciclo Otto - injeção de combustível no duto de admissão e relação de compressão de 12:1. Testes em dinamômetro foram conduzidos com o etanol hidratado comercial (95% de etanol e 5% de água) e com misturas de etanol e água com maiores percentuais de hidratação (conteúdo volumétrico de até 60% de etanol e 40% de água). Simulação computacional através de software de volumes finitos unidimensional foi utilizada para realizar a análise da combustão. Foi possível alcançar operação estável com misturas de até 40% de água em etanol e ocorreu aumento de eficiência térmica para misturas de até 30% de água. / An environmentally friendly way to manage the available energetic resources and to reduce greenhouse gas emissions is to use bio instead of fossil fuels in internal combustion engines. However, the sometimes higher prices of biofuels can be a limiting factor for their widespread and viable use. Concerning ethanol and its production costs, to obtain above 80% ethanol-in-water mixtures demands an exponentially increasing energy supply. Hence, if a low-cost high water content ethanol could be successfully burned in internal combustion engines it would be even more attractive and extensively used. This work analyzes the performance of a spark ignition engine running with ethanol with different percentages of hydration through numeric and experimental simulations. To achieve this goal, a 0,668L naturally aspirated single cylinder engine, with compression ratio of 19:1 and pre-chamber direct injection, operating at Diesel cycle was modified to operate in Otto cycle - port fuel injection, with a compression ratio of 12:1. Dynamometer tests were carried out with commercial hydrous ethanol (95% ethanol and 5% water) and water-in-ethanol blends with higher hydration levels (volumetric content up to 60% ethanol and 40% water). Computer simulation through one-dimensional finite volume software was carried out to perform a heat release analysis. It was possible to achieve stable operation with up to 40% water-in-ethanol blends and thermal efficiency increase was achieved for blends with up to 30% of water.

Uma maneira ecologicamente correta de manejar os recursos energéticos disponíveis e reduzir as emissões de gases de efeito estufa é utilizar biocombustíveis ao invés de combustíveis de origem fóssil em motores de combustão interna. Entretanto, o preço mais alto dos biocombustíveis pode ser um fator limitante para o aumento e viabilização do seu uso. Em relação ao etanol, para se obter misturas com mais de 80% de etanol em água o custo de produção cresce exponencialmente. Assim, se misturas de etanol com alto percentual de água, de menor custo, puderem ser utilizadas em motores de combustão interna com sucesso, esse combustível pode se tornar mais atrativo e mais amplamente utilizado. Este trabalho analisa o desempenho de um motor de ignição por centelha operando com etanol em diferentes percentuais de hidratação, através de simulações computacionais e procedimentos experimentais. Foi utilizado um motor monocilíndrico de 0,668L e naturalmente aspirado, com relação de compressão de 19:1 e injeção direta em pré-câmara, ciclo Diesel, foi modificado para operação em ciclo Otto - injeção de combustível no duto de admissão e relação de compressão de 12:1. Testes em dinamômetro foram conduzidos com o etanol hidratado comercial (95% de etanol e 5% de água) e com misturas de etanol e água com maiores percentuais de hidratação (conteúdo volumétrico de até 60% de etanol e 40% de água). Simulação computacional através de software de volumes finitos unidimensional foi utilizada para realizar a análise da combustão. Foi possível alcançar operação estável com misturas de até 40% de água em etanol e ocorreu aumento de eficiência térmica para misturas de até 30% de água. / An environmentally friendly way to manage the available energetic resources and to reduce greenhouse gas emissions is to use bio instead of fossil fuels in internal combustion engines. However, the sometimes higher prices of biofuels can be a limiting factor for their widespread and viable use. Concerning ethanol and its production costs, to obtain above 80% ethanol-in-water mixtures demands an exponentially increasing energy supply. Hence, if a low-cost high water content ethanol could be successfully burned in internal combustion engines it would be even more attractive and extensively used. This work analyzes the performance of a spark ignition engine running with ethanol with different percentages of hydration through numeric and experimental simulations. To achieve this goal, a 0,668L naturally aspirated single cylinder engine, with compression ratio of 19:1 and pre-chamber direct injection, operating at Diesel cycle was modified to operate in Otto cycle - port fuel injection, with a compression ratio of 12:1. Dynamometer tests were carried out with commercial hydrous ethanol (95% ethanol and 5% water) and water-in-ethanol blends with higher hydration levels (volumetric content up to 60% ethanol and 40% water). Computer simulation through one-dimensional finite volume software was carried out to perform a heat release analysis. It was possible to achieve stable operation with up to 40% water-in-ethanol blends and thermal efficiency increase was achieved for blends with up to 30% of water.

Uma maneira ecologicamente correta de manejar os recursos energéticos disponíveis e reduzir as emissões de gases de efeito estufa é utilizar biocombustíveis ao invés de combustíveis de origem fóssil em motores de combustão interna. Entretanto, o preço mais alto dos biocombustíveis pode ser um fator limitante para o aumento e viabilização do seu uso. Em relação ao etanol, para se obter misturas com mais de 80% de etanol em água o custo de produção cresce exponencialmente. Assim, se misturas de etanol com alto percentual de água, de menor custo, puderem ser utilizadas em motores de combustão interna com sucesso, esse combustível pode se tornar mais atrativo e mais amplamente utilizado. Este trabalho analisa o desempenho de um motor de ignição por centelha operando com etanol em diferentes percentuais de hidratação, através de simulações computacionais e procedimentos experimentais. Foi utilizado um motor monocilíndrico de 0,668L e naturalmente aspirado, com relação de compressão de 19:1 e injeção direta em pré-câmara, ciclo Diesel, foi modificado para operação em ciclo Otto - injeção de combustível no duto de admissão e relação de compressão de 12:1. Testes em dinamômetro foram conduzidos com o etanol hidratado comercial (95% de etanol e 5% de água) e com misturas de etanol e água com maiores percentuais de hidratação (conteúdo volumétrico de até 60% de etanol e 40% de água). Simulação computacional através de software de volumes finitos unidimensional foi utilizada para realizar a análise da combustão. Foi possível alcançar operação estável com misturas de até 40% de água em etanol e ocorreu aumento de eficiência térmica para misturas de até 30% de água. / An environmentally friendly way to manage the available energetic resources and to reduce greenhouse gas emissions is to use bio instead of fossil fuels in internal combustion engines. However, the sometimes higher prices of biofuels can be a limiting factor for their widespread and viable use. Concerning ethanol and its production costs, to obtain above 80% ethanol-in-water mixtures demands an exponentially increasing energy supply. Hence, if a low-cost high water content ethanol could be successfully burned in internal combustion engines it would be even more attractive and extensively used. This work analyzes the performance of a spark ignition engine running with ethanol with different percentages of hydration through numeric and experimental simulations. To achieve this goal, a 0,668L naturally aspirated single cylinder engine, with compression ratio of 19:1 and pre-chamber direct injection, operating at Diesel cycle was modified to operate in Otto cycle - port fuel injection, with a compression ratio of 12:1. Dynamometer tests were carried out with commercial hydrous ethanol (95% ethanol and 5% water) and water-in-ethanol blends with higher hydration levels (volumetric content up to 60% ethanol and 40% water). Computer simulation through one-dimensional finite volume software was carried out to perform a heat release analysis. It was possible to achieve stable operation with up to 40% water-in-ethanol blends and thermal efficiency increase was achieved for blends with up to 30% of water.

The laminar burning velocity is an important fundamental property of a fuel-air mixture at given conditions of temperature and pressure. Knowledge of burning velocities is required as an input for combustion models, including engine simulations, and the validation of chemical kinetic mechanisms. It is also important to understand the effect of stretch upon laminar flames, to correct for stretch and determine true (unstretched) laminar burning velocities, but also for modelling combustion where stretch rates are high, such as turbulent combustion models. A constant volume combustion vessel has been used in this work to determine burning velocities using two methods: a) flame speed measurements during the constant pressure period, and b) analysis of the pressure rise data. Consistency between these two techniques has been demonstrated for the first time. Flame front imaging and linear extrapolation of flame speed has been used to determine unstretched flame speeds at constant pressure and burned gas Markstein lengths. Measurement of the pressure rise during constant volume combustion has been used along with a numerical multi-zone combustion model to determine burning velocities for elevated temperatures and pressures as the unburned gas ahead of the spherically expanding flame front is compressed isentropically. This burning velocity data is correlated using a 14 term correlation to account for the effects of equivalence ratio, temperature, pressure and fraction of diluents. This correlation has been modified from an existing 12 term correlation to more accurately represent the dependence of burning velocity upon temperature and pressure. A number of fuels have been tested in the combustion vessel. Biogas (mixtures of CH₄ and CO₂) has been tested for a range of equivalence ratios (0.7–1.4), with initial temperatures of 298, 380 and 450 K, initial pressures of 1, 2 and 4 bar and CO₂ fractions of up to 40% by mole. Hydrous ethanol has been tested at the same conditions (apart from 298 K due to the need to vaporise the ethanol), and for fractions of water up to 40% by volume. Binary, ternary and quaternary blends of toluene, n-heptane, ethanol and iso-octane (THEO) have been tested for stoichiometric mixtures only, at 380 and 450 K, and 1, 2 and 4 bar, to represent surrogate gasoline blended with ethanol. For all fuels, correlation coefficients have been obtained to represent the burning velocities over wide ranging conditions. Common trends are seen, such as the reduction in burning velocity with pressure and increase with temperature. In the case of biogas, increasing CO₂ results in a decrease in burning velocity, a shift in peak burning velocity towards stoichiometric, a decrease in burned gas Markstein length and a delayed onset of cellularity. For hydrous ethanol the reduction in burning velocity as H₂O content is increased is more noticeably non-linear, and whilst the onset of cellularity is delayed, the effect on Markstein length is minor. Chemical kinetic simulations are performed to replicate the conditions for biogas mixtures using the GRI 3.0 mechanism and the FlameMaster package. For hydrous ethanol, simulations were performed by Carsten Olm at Eötvös Loránd University, using the OpenSMOKE 1D premixed flame solver. In both cases, good agreement with experimental results is seen. Tests have also been performed using a single cylinder optical engine to compare the results of the hydrous ethanol tests with early burn combustion, and a good comparison is seen. Results from tests on THEO fuels are compared with mixing rules developed in the literature to enable burning velocities of blends to be determined from knowledge of that of the pure components alone. A variety of rules are compared, and it is found that in most cases, the best approximation is found by using the rule in which the burning velocity of the blend is represented by weighting by the energy fraction of the individual components.

[pt] O pH constitui um dos parâmetros de controle de qualidade do etanol combustível, sendo estabelecido pela norma brasileira ABNT NBR 10891, cujo escopo é específico para etanol hidratado combustível, e pela norma americana ASTM D 6423, a qual o foco é o etanol anidro combustível. Neste contexto, o presente estudo apresenta uma análise crítica à composição dos eletrodos utilizados pelos diferentes sistemas de medições para pH de etanol, devido à presença de água na composição do eletrodo de vidro. Com isso, o objetivo do presente estudo consistiu em uma proposta de um novo sistema para medição de pH de etanol hidratado combustível, o qual foi o único solvente utilizado, empregando como referência indicadores ácido-base. Por meio do planejamento de experimentos Box-Behnken foi possível determinar a condição otimizada esperada para o novo sistema de medição, o qual foi comparado com os sistemas propostos pelos referenciais normativos e posteriormente com o intervalo de pH definido pelos indicadores. Os resultados revelaram que os valores de pH obtidos pelos diferentes sistemas utilizados, incluindo o proposto pelo presente estudo, são estatisticamente diferentes entre si, e que somente os valores obtidos pelo novo sistema de medição se adequa à faixa de pH encontrada pelos indicadores. O eletrodo otimizado apresentou uma sensibilidade de resposta adequada à equação de Nernst, tendo um comportamento operacional adequado ao novo sistema de medição proposto pelo presente estudo. / [en] The pH is one of the quality control parameters of fuel ethanol, established by the Brazilian standard ABNT NBR 10891, whose scope is specific for hydrated fuel ethanol, and by the American standard ASTM D 6423, which focuses on anhydrous ethanol fuel. In this context, the present study presents a critical analysis of the composition of the electrodes used by the different measurement systems for ethanol pH, due to the presence of water in the composition of the glass electrode. Thus, the objective of the present study was to propose a new system for measuring the pH of hydrated fuel ethanol, which was the only solvent used, using acid-base indicators as a reference. Box-Behnken Design made possible to determine the optimal condition expected for the new measurement system, which was compared with the systems proposed by the normative references and later with the pH range defined by the indicators. The results revealed that the pH values obtained by the different systems used, including the one proposed by the present study, are statistically different from each other, and that only the values obtained by the new measurement system are suitable for the pH range found by the indicators. The optimized electrode presented an adequate response sensitivity to the Nernst equation, having an operational behavior adequate to the new measurement system proposed by the present study.

Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos / Resumo: Resumo / Abstract: Abstract / Doutor